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儲蓄罐是進行熱交換操作的通用工藝設備 |
| 發布時間：2014/4/7 發布人：管理員 |
儲蓄罐是進行熱交換操作的通用工藝設備,被廣泛運用于各個工業部門,尤其在石油、化工生產中運用更為廣泛。換熱器分類辦法多樣,依照其作業原理可分為:直接觸摸式換熱器、蓄能式換熱器和間壁式換熱器三大類,其間間壁式換熱器用量最大,據統計,這類換熱器占總用量的99%。間壁式換熱器又可分為管殼式和板殼式換熱器兩類,其間管殼式換熱器以其高度的可靠性和廣泛的適應性,在長時刻的操作過程中積累了豐厚的經歷,其描繪材料比擬完全,在許多國家都有了系列化規范。近年來雖然管殼式換熱器也受到了新式換熱器的應戰,但因為管殼式儲蓄罐具有布局簡略、結實、操作彈性大、運用材料廣等長處,管殼式換熱器當前仍是化工、石油和石化職業中運用的首要類型換熱器,尤其在高溫、高壓和大型換熱設備中仍占有絕對優勢。
關于完結某一使命的換熱器,往往有多個挑選,怎么斷定最佳的換熱器,是換熱器優化的問題,即選用優化辦法使描繪的換熱器滿意最優的方針函數和約束條件。在換熱器描繪中,最優方針函數是指包羅設備費用和操作費用在內的總費用最小。本文首要對準管殼式水冷卻器冷卻水出口溫度的優化問題,使用一般優化描繪的原理和辦法,以操作費用最小為優化方針,給出相應的方針函數,并用MATLAB言語編寫了核算順序,最終給出了一個核算實例。1方針函數
關于以水為冷卻介質的管殼式冷卻器,進口水溫一守時,由傳熱學的基本原理剖析可知,冷卻水的出口費用將影響傳熱溫差,然后影響換熱器的傳熱面積和出資費用。若冷卻水出口溫度較低,所需的傳熱面積可以較小,即換熱器的出資費用削減;但此刻的冷卻水的用量則較大,所需的操作費用添加,所以存在使設備費用和操作費用之和為最小的最優冷卻水出口溫度。
設換熱器的年固定費用FA = KF.CA.A (1)式中FA———換熱器的年固定費用,元;KF———換熱器的年折舊率, 1 /y;CA———換熱器單位傳熱面積的出資費用,元/m2 ;A———換熱器的傳熱面積,m2。換熱器的年操作費用FB =Cu•WuHy/1000 (2)式中FB———換熱器的年操作費用,元;Cu———單位質量冷卻水費用,元/噸;Wu———換熱器冷卻水用量, kg/h;Hy———換熱器每年運轉時刻, h。因而換熱器的年總費用即方針函數F = FA + FB = KFCAA +Cu•WuHy/1000 (3)2A與Wu的數學模型———熱平衡方程換熱器的熱負荷為Q =GcPi ( T1 - T2 ) (4)式中Q———換熱器的熱負荷, kJ /h;G———換熱器熱介質處置量, kg/h;cpi———熱流體介質比熱容, kJ / ( kg•℃) ;T1、T2———熱流體的進出口溫度,℃。
當換熱器操作選用逆流換熱時,則熱平衡方程為Q =Wu cpw ( t2 - t1 ) =GcPi ( T1 - T2 ) = KA& tm (5)式中cpw———冷卻水比熱容, kJ / ( kg•℃) ;
t1、t2———冷卻水的進出口溫度,℃;
& tm———對數平均溫度差,℃。
& tm =( T1 - t2 ) - ( T2 - t1 )/In(T1 - t2/T2 - t1) (6)
由此可得Wu =Q/cpw ( t2 - t1 ) (7)A = Q/K& tm (8)K———總傳熱系數, (m2•h•℃)。將(4)和(6)代入(7)和(8) ,然后再代入(3) ,得F = KFCAGcpi ( T1 - T2 )/cpw ( t2 - t1 )+Cu•HyGcpi ( T1 - T2 )/K{ ln(( T1 - t2 ) / ( T2 - t1 ))}1000 (9)
一般來說,關于描繪的換熱器, G、T1、T2、t1及Hy均為定值;水的比熱容cpw和熱介質的比熱容cpi改變不大,可取為常數; Cu、CA、FA可由有關材料查得;總傳熱系數K一般也可由經歷斷定,所以換熱器的年總費用F僅是冷卻水出口溫度t2的函數。當F取最小值時,相應的t2既為最優冷卻水出口溫度,進而可由式(7)、(8)得到所需的冷卻水量和最優的傳熱面積。3順序描繪
由上面剖析可知,以上問題歸于單變量最優化問題。關于此類問題求解辦法比擬老練,可以用解析法和黃金分割法或函數迫臨法等數值辦法求解。這里,采借用MATLAB言語核算,選用其工具箱中Nelder - Mead單純形法函數fmin2search ( )優化,界說TF ( )為方針函數(9) ,函數Water ( )、Ar2ea ( )則依據式(7)、(8)別離用以求傳熱面積A和冷卻水用量Wu。以上剖析雖然是對準管殼式水冷卻器而得出的成果,因為剖析辦法和傳熱機理類似,關于其它介質的管殼式換熱器只要在公式上稍作變形即可得出類似的定論。因而,對管殼式換熱器問題的優化具有必定的普遍性,其求解成果可以作為描繪管殼式換熱器重要依據,然后為節省生產成本,推進描繪的科學性方面作出相應的奉獻。順序清單如 例:某石化公司需將處置量為G = 4×104 kg/h的火油產物從T1 = 135℃冷卻到T2 = 40℃,冷卻介質是水,初始溫度t1= 30℃。需求描繪一臺管殼式水冷卻器(選用逆流操作) ,使該冷卻器的年度總費用最小。以知數據如下:冷卻器單位面積的總出資費用CA = 400元/m2 ;冷卻器年折舊率KF = 15%;冷卻器總傳熱系數K = 840 kJ / (m2•h•℃) ;冷卻器每年運轉時刻7900h;冷卻水單價Cu = 0. 1元/噸;冷卻水比熱容cpw =4. 184 kJ / ( kg•℃) ;火油比熱容cp i = 2. 092kJ / ( kg•℃)。按以知條件編制數據,發動以上優化描繪順序,核算成果如表1所示。表1核算成果
5結束語
本文經過對管殼式換熱器傳熱機理的剖析,導出了管殼式換熱器以年度總費用為方針函數的優化描繪公式,使用MATLAB言語編制了相應的核算順序并給出了一個核算實例。可以看出,優化描繪作為一種現代描繪辦法,理論上科學、嚴厲,將其合理地運用于管殼式換熱器的描繪必將推進傳統描繪觀念的前進,其核算成果可作為管殼式換熱器機械描繪的重要參數。 |
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